Proč Ministerstvo životního prostředí podporuje neúčinný fotovoltaický ohřev vody a dotuje zvyšování emisí?

Úvod

V říjnu 2015 byla spuštěna časově neomezená výzva programu Nová zelená úsporám, která potrvá až do roku 2021. Oproti minulým výzvám přistoupilo Ministerstvo životního prostředí prostřednictvím Státního fondu životního prostředí (SFŽP) konečně i k podpoře fotovoltaických systémů, které od roku 2014 prakticky neměly žádnou podporu. Investiční podpora vrátila FV systémy zpátky do skupiny zdrojů, které jsou chtěné a podporované, protože částečně nahrazují neekologické zdroje elektrické energie.

Státní podpora v rámci minulých programů energetických úspor se vyznačovala tím, že finančně dotovala především energeticky efektivní zařízení v energeticky efektivních instalacích. Nastavení podpory nebylo vždy na první pokus optimální, ale nakonec se v jednotlivých výzvách podařilo dosáhnout výsledku odpovídajícímu stavu techniky, trhu a možností žadatelů. Cílem bylo na jedné straně účelně využít dotaci a na druhé straně docílit úspory emisí znečišťujících látek. O tom, že právě obnovitelné zdroje energie patří mezi efektivní způsoby snižování emisí hodné podpory, vypovídají čísla z veřejně dostupných výročních zpráv Státního fondu životního prostředí. Jako příklad je v tab. 1 ukázáno, kolik v roce 2013 činil objem podpory v jednotlivých oblastech programu Zelená úsporám a nakolik tyto oblasti podpory přispěly (a stále přispívají) ke snížení emisí CO₂ [1]. Porovnání měrné finanční náročnosti úspory emisí CO₂, tzn. poměr objemu finanční podpory ke snížení produkce emisí za dobu životnosti, je pro jednotlivá podporovaná opatření porovnán v posledním sloupci tabulky. Životnost opatření v oblasti A (zateplení) a B (výstavba pasivních domů) jsou zde uvažována 30 let (okna, zateplovací systémy), životnost opatření v oblasti C (instalace OZE) jsou uvažována poloviční. V obou případech lze namítnout, že se jedná o příliš dlouhé nebo krátké doby. Podle dostupných informací se však jedná o průměrné hodnoty, u kterých lze předpokládat obecnou shodu. Porovnání ukazuje, že podpora zateplení dosahuje zhruba dvojnásobné náročnosti úspory emisí oproti obnovitelným zdrojům energie. To je dáno především relativně přísně nastavenými podmínkami celkové stavební rekonstrukce domu v tehdejším programu podpory a tím zbytečně vysokými souvisejícími investičními náklady. Investičně náročná podpora výstavby pasivních domů v oblasti B byla na druhé straně snahou o podporu rozšíření nového energetického standardu, nicméně v celkovém objemu rozdělených prostředků se jednalo o jediné (a zanedbatelné) procento. Z hodnot uvedených v tab. 1 tak vyplývá, že obnovitelné zdroje energie jsou vysoce efektivním opatřením pro snížení emisí CO₂. Mohlo by se dodat, že by OZE snesly i větší finanční (a politickou) podporu.

Právě ekonomicky efektivní dosažení úspory emisí znečišťujících látek je hlavním cílem podpory v oblasti energetických zdrojů. Nejvíc je tato strategie dnes patrná u solárních termických systémů pro ohřev vody. Solární kolektory musí splňovat minimální účinnost jako výrobky, aby vůbec byly předmětem podpory, a zároveň se u instalace solárního systému musí výpočtem prokázat minimální efektivita vyjádřená měrným tepelným ziskem 350 kWh/m².rok a minimální pokrytí potřeby tepla 50 %. Ministerstvo životního prostředí, resp. SFŽP tak podporuje instalace solárních termických systémů, které za vynaložené peníze (z větší části investorem, z menší části SFŽP) garantují dosažení určité úspory emisí a zároveň se nejedná o černou barvou natřené sudy.

Problematická podpora FV systémů pro ohřev vody

Při přípravě podpory solárních FV systémů pro novou výzvu programu Nová zelená úsporám se zákonitě musely potkat dva protichůdné hlasy. Jedna strana pomyslného téměř filosofického sporu vidí v termickém využití elektrické energie (nejen) z FV systému tu poslední možnost, jak zacházet s cennou elektrickou energií, která dokáže roztočit motor, rozsvítit žárovku nebo pustit televizi. Na druhé straně zní podobně legitimní hlas těch, kteří nevidí rozdíl mezi využitím sluneční energie prostřednictvím teplonosné látky a prostřednictvím elektrické energie, protože jde nakonec v obou případech o obnovitelnou energii bez produkce emisí. Zatímco v případě nastavení podpory FV systémů pro prioritní krytí spotřeby elektrické energie v oblastech C3.4 až 3.6 tyto hlasy souzněly a notovaly si, v oblasti podpory FV systémů pro ohřev vody se hojně diskutovalo. A bylo proč.

Solární termické systémy pro ohřev vody využívají na trhu zavedených bivalentních zásobníků v kombinaci jak s elektrickým dohřevem (pokud je hlavním zdrojem elektrická energie) tak s dohřevem přes teplosměnnou plochu plynovým kotlem (pokud je hlavním zdrojem tepla zemní plyn), kotlem na pelety (pokud je hlavním zdrojem tepla biomasa) nebo tepelným čerpadlem. Avšak FV systémy pro ohřev vody nabízené na trhu jsou prakticky tvořeny pouze zásobníkem teplé vody se dvěma elektrickými topnými vložkami, jednou vyhrazenou pro FV moduly, druhou vyhrazenou pro dohřev elektřinou ze sítě, obě umístěné v dolní části. Inteligentnější zásobníky alespoň rozlišují polohu elektrické topné vložky napájené FV moduly (v dolní části zásobníku) a polohu dohřívací topné vložky napájené ze sítě (v horní části zásobníku). Pouze pár minoritních dodavatelů kombinuje elektrickou FV topnou vložku s dohřívacím výměníkem např. od plynového kotle. Nezbývá než konstatovat, že systémy pro FV ohřev vody jsou technologicky svázány s dohřevem konvenční elektrickou energií. K čemu tento „stav trhu“ vede, ukazuje následující srovnávací analýza pro situace, kdy oba solární systémy pro ohřev vody nasadíme v různých domech s různými hlavními zdroji tepla:

• varianta 1 – dům je vytápěn elektrickou energií pro přípravu teplé vody slouží fotovoltaický nebo fototermický systém ohřevu vody;
• varianta 2 – dům je vytápěn kotlem na zemní plyn, pro přípravu teplé vody je však zvolen fotovoltaický systém ohřevu vody nebo fototermický systém ohřevu (zásobník s výměníkem plynového kotle v horní části objemu zásobníku teplé vody);
• varianta 3 – dům je vytápěn kotlem na pelety, zatímco příprava teplé vody je naprojektována s využitím ohřevu teplé vody fotovoltaickým systémem nebo fototermickým systémem (zásobník s výměníkem kotle na pelety v horní části objemu zásobníku teplé vody);
• varianta 4 – dům je vytápěn tepelným čerpadlem s přípravou teplé vody s využitím fotovoltaického systému pro ohřev vody nebo fototermického systému pro ohřev vody (zásobník s výměníkem tepelného čerpadla v horní části objemu zásobníku teplé vody).

Pro výpočty je uvažována příprava teplé vody v celkové potřebě tepla 3000 kWh/rok, což odpovídá tříčlenné domácnosti s potřebou teplé vody 45 l/os.den. Protože v rámci současné výzvy programu jsou podporovány solární systémy, které uspoří alespoň 50 % potřeby tepla (50% solární pokrytí), je u obou technologií uvažována minimální úspora je 1500 kWh/rok. Zbylou energii dodá hlavní zdroj tepla (v případě fototermického ohřevu) nebo příslušný záložní zdroj (elektrická energie u FV systému). Pro stanovení potřeby primární neobnovitelné energie, podle které se dnes hodnotí nejen efektivita využití OZE, ale také energetická náročnost budov prostřednictvím průkazů energetické náročnosti budov, byly použity hodnoty faktorů primární energie uvedené ve vyhlášce [2]. Pro stanovení emisí svázaných se spotřebou daného energonositele byly použity emisní faktory vycházející z dokumentu Státního fondu životního prostředí [3].

V případě podporovaných solárních termických systémů je z tab. 3 patrné, že instalace přináší úspory primární neobnovitelné energie ve všech variantách. Emise CO₂ nejsou instalací sníženy pouze ve variantě, u které je hlavním zdrojem tepla kotel na pelety. Taková varianta je již z principu hodnocení bezemisní (nulový emisní faktor pro biomasu) a roční spotřeba elektrické energie na pohon oběhového čerpadla solárního termického systému (40 kWh/rok) pak znamená mírné navýšení emisí CO₂. Lze konstatovat, že podpora solárních termických systémů pro ohřev vody v situaci, kdy hlavním zdrojem tepla je kotel na biomasu, nedává z pohledu úspory emisí smysl.

Vzhledem k tomu, že v případě technologie solárního FV ohřevu je záložním zdrojem vždy elektrická energie, výsledky uvedené v tab. 4 naznačují, že nasazení FV ohřevu vody přináší úsporu emisí CO₂ pouze ve variantě 1, zatímco ve variantách 2, 3 a 4 přináší naopak zhoršení situace, tj. zvýšení produkce emisí CO₂.

Přestože na problém podpory FV systémů pro ohřev vody, které namísto snížení emisní zátěže naopak produkci emisí zvyšují, bylo opakovaně poukazováno, byla nakonec podpora FV ohřevu vody schválena. Byly nastaveny podobné podmínky jako pro solární termické systémy, tj. požadavek na minimální účinnost FV modulů, stejné minimální požadované pokrytí 50 % a stejná maximální výše dotace 35 tis. Kč.

Neúčinný FV ohřev vody bez přizpůsobení zátěže

Zástupci SFŽP v průběhu finalizace podpory FV ohřevu vody deklarovali, že podpora se bude týkat pouze systémů se sledovačem výkonového maxima. Z návrhu podpory tak byly vyloučeny jednoduché FV systémy nevyužívající aktivního sledování bodu maximálního elektrického výkonu FV modulů, protože řadou nezávislých a detailních analýz bylo prokázáno, že takové systémy jsou neúčinné [4–7]. Většina jednoduchých systémů FV ohřevu vody deklaruje použití optimalizované hodnoty ohmické zátěže (odporové elektrické vložky), avšak v provozu neproměnlivé. Takový systém nedokáže reagovat na změnu voltampérové charakteristiky fotovoltaického pole při měnících se podmínkách dopadajícího slunečního záření a teploty modulů. Pro takové jednoduché systémy bylo prokázáno, že dosahují v optimálním případě o 25 až 30 % nižší produkce elektrické energie než v případě použití aktivního sledovače výkonového maxima s automaticky se přizpůsobující zátěží.

V únoru 2016 byl však vydán Metodický pokyn SFŽP [8], který doplňuje a upřesňuje výpočetní postupy a vybrané okrajové podmínky pro provádění energetických výpočtů pro podoblast podpory C.3, tj. solární termické a fotovoltaické systémy. V něm je deklarováno, že použití sledovače výkonového maxima není pro FV ohřev vody povinné a lze použít „jednodušší“ způsoby přizpůsobení zátěže proměnlivému výkonu soustavy fotovoltaických panelů, tedy výše zmíněnou optimalizovanou avšak konstantní odporovou zátěž.

Systém FV ohřevu bez sledovače výkonového maxima lze přirovnat k solárnímu termickému systému, kde nepožadujeme tepelnou izolaci rozvodů. Tím kontinuálně ztrácíme navíc (oproti systému s izolovaným potrubím) také okolo 25 % energie. Takový solární systém by podpory hodný nebyl, především by byl časem reklamován jako špatně navržený a provedený.

Pro hodnocení systémů FV ohřevu vody byl zveřejněn výpočtový nástroj [9], který stanovuje produkci elektrické energie podle metodického postupu [10, 11] určeného pro výpočet produkce solárních FV systémů se sledovačem výkonového maxima. Tomu odpovídají i běžné hodnoty elektrických ztrát uváděných v nástroji pro takový systém na úrovni do 8 %. V případě použití výpočtového nástroje pro systémy FV ohřevu bez aktivního sledování výkonového maxima je však třeba revidovat srážku vlivem elektrických ztrát, která i v případě konstantní optimalizované zátěže může dosáhnout hodnoty 35 až 40 % [6]. Potom ovšem typické FV systémy pro ohřev vody s 8 moduly o celkovém špičkovém výkonu 2 kWp dosahují zisku pouze okolo 1200 až 1300 kWh/rok a pro řadu situací nesplňují požadavek na 50% pokrytí. Zvětšení plochy (přidání FV modulů) na druhou stranu znamená změnit hodnotu optimální zátěže.

Zde je třeba připomenout, že bilancování FV systémů bez sledovače výkonového maxima se nevěnuje ani normová metoda v oblasti hodnocení energetické náročnosti budov, uvedená např. v ČSN EN 15316-4-6 [12]. Proč asi?

Závěr

Je potřeba znovu zopakovat, že hlavním cílem programu Nová zelená úsporám není podpora prodeje výrobků firmami (tu má v gesci Ministerstvo průmyslu a obchodu) ani podpora zaměstnanosti (Ministerstvo práce a sociálních věcí), ale úspora energie a snížení emisí znečišťujících látek. Finanční podpora poskytovaná státem musí být využita efektivně na kvalitní zařízení, která takových úspor umožní dosáhnout. To se v případě podpory FV ohřevu a navíc bez sledovače výkonového maxima neděje. Naopak, Ministerstvo životního prostředí podporuje zvyšování emisí a dotuje prodej nekvalitních systémů.

Odkazy

1. Výroční zpráva programu Zelená úsporám za rok 2013, dostupné z 
   http://www.zelenausporam.cz/soubor-ke-stazeni/17/5123-zu_vyrocni_zprava_2013_web.pdf
2. Vyhláška č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov, MPO 2013.
3. Struktura Energetického posudku pro Prioritní osu 2, specifický cíl, 2.2: Snížit emise stacionárních zdrojů podílející se na expozici obyvatelstva nadlimitním koncentracím znečišťujících látek, MŽP, 2014.
4. Wolf, P., Benda, V.: Optimalizace fotovoltaického systému pro přípravu teplé vody, TZB-info 2013,
   http://elektro.tzb-info.cz/teorie-elektrotechnika/10697-optimalizace-fotovoltaickeho-systemu-pro-pripravu-teple-vody
5. Matuška, T., Šourek, B.: Porovnání solárního fototermického a fotovoltaického ohřevu vody, TZB-info 2014, http://oze.tzb-info.cz/solarni-kolektory/11103-porovnani-solarniho-fototermickeho-a-fotovoltaickeho-ohrevu-vody
6. Matuška, T., Šourek, B.: Detailní analýza ohřevu vody fototermickými a fotovoltaickými kolektory, iDB Journal, č. 5, roč. 2015, str. 34–37, HMH Bratislava 2015. ISSN 1338-3379.
7. Vocílka, T.: Stanovení výnosů a optimalizace systému FV ohřevu bez MPPT sledovače, alternativní metody přizpůsobení, Sborník konference Pasivní domy 2014, str. 133 – Y.
8. Metodický pokyn k upřesnění výpočetních postupů a okrajových podmínek pro podprogram NZÚ – RODINNÉ DOMY, http://www.novazelenausporam.cz/file/589/metodicky-pokyn_solar_c3_v1.pdf, verze 1.0 RD ze 4. 2. 2016.
9. Bilance solárních fotovoltaických systémů, Nová zelená úsporám, 2016,
   http://www.novazelenausporam.cz/zpracovatele-odborneho-posudku/energeticti-specialiste/aktuality/nove-vypocetni-nastroje-pro-bilancovani-solarnich-termickych-a-fotovoltaickych-systemu.
10. Matuška, T.: Zjednodušený bilanční výpočet ročních přínosů fotovoltaických instalací, Vytápění, větrání, instalace, č. 5, roč. 2015, str. 244–247.
11. Matuška, T.: Zjednodušený bilanční výpočet ročních přínosů fotovoltaických instalací, TZB-info, 2015,
    http://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/13878-zjednoduseny-bilancni-vypocet-rocnich-prinosu-fotovoltaickych-instalaci
12. ČSN EN 15316-4-6 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetických potřeb a účinností soustavy – Část 4-6: Výroba tepla, fotovoltaické soustavy, ÚNMZ 2013.